BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN DUY LỢI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH VÀ THIẾT KẾ CAMERA CCD LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN DUY LỢI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH VÀ THIẾT KẾ CAMERA CCD Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HOÀNG DŨNG Hà Nội – 2016 SĐH.QT9.BM11 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Trần Duy Lợi Đề tài luận văn: Nghiên cứu công nghệ cảm biến hình ảnh thiết kế camera CCD Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số SV: CB140252 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 26 tháng 10 năm 2016 Ngày 26 tháng 10 năm 2016 Giáo viên hướng dẫn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Tác giả luận văn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan viết hoàn toàn thống không chép từ luận văn công bố Các thông tin sử dụng luận văn có nguồn gốc trích dẫn rõ ràng Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm có dấu hiệu chép kết từ tài liệu khác Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2016 TÁC GIẢ TRẦN DUY LỢI i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu hoàn thiện luận văn, em nhận giúp đỡ tận tình chu đáo thầy cô giáo viện Điện tử – Viễn thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thày TS.Nguyễn Hoàng Dũng, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sỹ suốt thời gian vừa qua Em xin cảm ơn quý thầy cô, anh chị đặc biệt bạn sinh viên lớp ĐTTT K56 Lab thày Nguyễn Hoàng Dũng trường Đại học Bách khoa Hà Nội có góp ý kịp thời bổ ích, giúp đỡ em suốt trình nghiên cứu luận văn Mặc dù em nỗ lực cố gắng hoàn thiện luận văn tất nhiệt tình lực Tuy nhiên tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp quý báu quý thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2016 HỌC VIÊN TRẦN DUY LỢI ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .iv DANH MỤC HÌNH ẢNH .vii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG : CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH 1.1 Cảm biến hình ảnh 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.2 Định nghĩa .2 1.1.3 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh 1.2 Cảm biến CCD CMOS .6 1.2.1 Cảm biến CCD .6 1.2.1.1 Giới thiệu CCD .6 1.2.1.2 Cấu trúc CCD 1.2.1.3 Sai số (nhiễu ) Readout (tín hiệu không mong muốn) 12 1.2.1.4 Phạm vi quang phổ 13 1.2.1.5 CCD không gian .14 1.2.2 Cảm biến CMOS [4] 14 1.2.2.1 Tổng quan CMOS 14 1.2.2.2 Hiệu suất lượng tử 19 1.2.2.3 Nhiễu readout phạm vi hoạt động 19 1.2.2.4 CMOS không gian ứng dụng 20 1.3 So sánh CCD CMOS 21 1.4 Kết luận chương 23 CHƯƠNG II : THIẾT KẾ CAMERA CCD .24 2.1 Giới thiệu 24 2.2 Cấu trúc camera CCD [10] 24 2.2.1 Lý thuyết CCD 24 2.2.2 Hạn chế hiệu hệ thống 29 2.2.3 Tín hiệu đầu CCD .32 iii 2.2.4 Tương quan lấy mẫu kép (CDS) 38 2.2.5 Khối điều khiển chuyển đổi A/D 44 2.3 Kết luận 48 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN CAMERA TỐC ĐỘ CAO ISIS 49 3.1 Giới thiệu 49 3.2 Đặc điểm cấu hình cảm biến 50 3.2.1 Cấu trúc tổng thể 50 3.2.2 Cấu trúc pixel .52 3.2.3 Cấu trúc mặt cắt ngang .53 3.2.4 Nguyên lý điều khiển tín hiệu bên ISIS .54 3.2.5 Đánh giá ISIS so sánh với loại cảm biến CCD khác .56 3.2.5.1 Đánh giá camera điều kiện 56 3.2.5.2 Tỷ lệ khung hình Khả xử lý điện nạp 57 3.2.5.3 Đánh giá nhiễu ISIS 59 3.2.5.4 Cải thiện 60 3.2.5.5 So sánh CCD-ISIS với cảm biến CCD thông thường 61 3.3 Kết luận chương 63 KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO .65 iv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt CCD CMOS Tên đầy đủ Nghĩa Charge-couple device Thiết bị tích điện kép Complementary metal oxide Chất bán dẫn bổ sung semiconductor kim loại Cảm biến hình ảnh lưu ISIS In-situ storage image sensor CCM Charge Carrier Multiplication Đa phí vận chuyển BSI Back-side illuminate Chiếu sáng sau VCCD Vertical charge-couple device Thiết bị tích điện kép dọc HCCD Horizontal charge-couple device v trữ chỗ Thiết bị tích điện kép ngang vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Chip CCD CMOS .1 Hình Sơ đồ tổng quan chip CCD Hình Sơ đồ khối cảm biến CMOS Hình Sơ đồ khối cảm biến CCD .1 Hình Cấu tạo chip CCD Hình 1.6 Ánh sáng bề mặt chip CCD .1 Hình Cấu trúc hai chiều ngang - dọc chip CCD Hình Cấu trúc cảm biến CCD Hình Hoạt động cảm biến CCD Hình 10 Electron điện cực Hình 11 Hai dạng CCD .1 Hình 1.12.(a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu CCA (b) Tương quan lấy mẫu .1 Hình 13 Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS .1 Hình 14 Ánh sáng vào pixel đưa khuếch đại pixel Hình 15 Mô hình CMOS APS (a) cấu trúc mảng (b) 17 Hình 16 Layout CMOS điển hình .1 Hình 17 Xu hướng phát triển CMOS CCD Hình 2.1 Sơ đồ khối camera CCD điển hình 24 Hình 2.2 Mô hình ánh sáng rơi xuống bề mặt CCD 25 Hình 2.3 Cấu hình mảng CCD 27 Hình 2.4 Sơ đồ khái niệm giai đoạn đầu bên phần tử CCD 28 Hình 2.5 Nhiễu giai đoạn đầu 30 Hình 2.6 Thiết lập lại nhiễu 31 Hình 2.7 Tín hiệu đầu CCD 32 Hình 2.8 Mạch tiền khuếch đại .33 Hình 2.9 Mạch tiền khuếch đại với DC-Restore 35 Hình 2.10 Mạch DC-Restore với SHC615 37 Hình 2.11 Tỷ số tín hiệu nhiễu với tương quan lấy mẫu kép 38 Hình 2.13 Mạch triển khai tương quan lấy mẫu kép (a) 40 Hình 2.14 Mạch triển khai tương quan lấy mẫu kép (b) 41 Hình 2.15 CDS với mạch giữ lấy mẫu 41 Hình 2.16 Mạch kẹp CDS 42 Hình 2.17 Mạch tích hợp độ dốc kép 43 Hình 2.18 Mạch điều khiển chuyển đổi A/D 44 Hình 2.19 Chuyển mạch khuếch đại .45 Hình 2.20 Mạch khuếch đại Op amps tốc độ cao 46 Hình 2.21 Op Amps tốc độ cao 47 Hình Cấu trúc mặt ISIS-V16 [6] 51 Hình 3.2 Sơ đồ mặt trước ISIS camera 52 Hình 3 Điện cực linear CCD 52 vii Hình Cấu trúc mặt ISIS-V16 [6] Hình 3.1 cho thấy cấu trúc phẳng tổng thể ISIS-V16 Diện tích hình ảnh chia thành bốn vùng phụ hình chữ nhật Một tập hợp điều khiển điện áp sử dụng hoạt động chụp ảnh, đòi hỏi phải có tần số cao, chuyển từ bên trái bên phải, phía đường trung tâm dọc qua metal bên đường bus nội Những đường bus nội rộng có khoảng cách nhau, làm giảm đáng kể sức cản hai bên đường bus nội trung tâm, đường bus metal bên với hình dạng đặc biệt, có tên “Thunderbolt bus line”, đặt thêm vào, nhằm làm giảm đáng kể sức cản việc chuyển điện áp điều khiển Sau hoàn thành pha chụp ảnh, tín hiệu hình ảnh lưu trữ pixel chuyển giao cho HCCD đặt phía phía dưới, kết nối với CCM hai bên, cuối đến khuếch đại đọc Các điện áp điều khiển sử dụng hoạt động đọc chậm chủ yếu gửi từ 51 3.2.2 Cấu trúc pixel Hình 3 Điện cực linear Hình 3.2 Sơ đồ mặt trước ISIS camera CCD Hình 3.2 thể cấu tạo camera ISIS điển hình Các tín hiệu ánh sáng thu thập photogate để biến đổi thành tín hiệu điện qua Collection gate (đối với ISIS tín hiệu gọi điện cực) Điện cực di chuyển đến khu lưu trữ tuyến tính CCD (the linear storage CCD) đọc tuyến tính qua vertical CCD (VCCD) [5] Một cổng drain thiết lập VCCD tuyến tính, điện cực đạt thoát bên drain cảm biến tín hiệu cuối luôn lưu trữ nhớ CCD VCCD hoạt động ghi đè lên Trong Hình 3.2, gói tín hiệu mang giá trị chuyển từ cổng collection sang nhớ kênh CCD, tiến xuống, xuống từ cực máng cuối kênh CCD Mỗi CCD tuyến tính nghiêng phục vụ nhớ cho pixel Các hoạt động ghi song song đồng thời tất điểm ảnh đưa tốc độ khung hình cao cuối Các cực máng (drain) cho phép ghi đè lên liên tục hoạt động chụp 52 ảnh Khi kiện xảy phát mục tiêu, hoạt động ghi đè lên dừng lại, tín hiệu hình ảnh lưu trữ nhớ CCD bên trong, cảm biến hình ảnh sau từ từ đọc Cơ chế ghi đè điều cần thiết cho tốc độ cao hình ảnh để dễ dàng đồng hóa hình ảnh chụp với thời gian xảy kiện Tín hiệu hình ảnh khung hình lưu trữ lúc nhiều photogates khác nhiều khung hình xử lý nhớ CCD tuyến tính Đây tính giúp tăng tốc độ xử lý tín hiệu hình ảnh dẫn đến số lượng khung hình cải thiện Các hoạt động ISIS thể hình 3.3 Trong VCCD có chứa 15 phần tử CCD [5] Do đó, tín hiệu hình ảnh khung hình lưu trữ tương ứng từ frame đến frame thứ 15; tín hiệu hình ảnh thứ đến khung 16 (15 khung hình) lưu trữ khung hình qua cổng drain 3.2.3 Cấu trúc mặt cắt ngang Hình Cấu trúc mặt cắt ngang Trong Hình 3.4, photon tới tạo cặp điện tử - lỗ trống lớp loại p-dày Một electron di chuyển dọc loại lớp sang lớp n-collection, theo chiều ngang, sau di chuyển theo chiều dọc tới kênh n+ bên cổng collection phía trước, để tạo thành gói tín hiệu Sau gói chuyển kênh n+ CCD, thiết bị nhớ mở rộng tuyến tính theo hướng nghiêng theo hướng vuông góc với tấm, thể Hình 3.4 53 Chip có độ dày dày , bao gồm lớp n-epi dày lớp p-epi Trong lớp n-epi trên, nhớ CCD kiểu n cài đặt, bảo vệ p-well Như thấy hình 3.4, phần nhớ CCD phần cổng collection tương ứng tạo thành cấu trúc bán dẫn dày npnp np Cấu hình cung cấp chức thuận lợi sau đây: - Để ngăn chặn photon từ trực tiếp đến nhớ CCD để tạo thêm electron - Để ngăn chặn điện tử tạo tín hiệu loại lớp từ di chuyển vào nhớ CCD - Để làm cạn kiệt lớp dọc theo đường tín hiệu điện tử 3.2.4 Nguyên lý điều khiển tín hiệu bên ISIS Switching CCD đề xuất tác giả vào thiết kế ISIS Nó đặt nơi giao hai CCD điểm cuối CCD lưu trữ đoạn kênh đọc dọc VCCD cho pixel Hình 3.5 Collection gate (CL) Overwriting Drain gate Readout (OVW) VCCD HCCD Channel A1 B2 A3 B4 A1 B2 A3 TG 19 20 B2 A3 B4 A1 B2 A3 B4 10 VCCDS DUMMY Drain (VNS) B2 A3 B4 A1 B2 A3 B4 10 VCCDS Anti-blooming Drain gate (ABG) B4 A1 B2 A3 B4 B4 A1 B2 A3 B4 Input gate (IN) A3 A1 B2 A3 B4 A1 B2 A3 TG TD H4 H3H2 H1 H4 H3 H2 H1 H4 H3H2 H1 A4 A1 A2 A3 A4 Switch 10 BSG 19 20 H4 H3 H2 H1 H4H3 H2H1 10 HCCD elements 10 Hình Nguyên lý hoạt động ISIS 54 BS Cách thức hoạt động ISIS bao gồm ba giai đoạn chính: Ở chế độ chụp, electrons (A1, A2, A3, A4) lưu trữ memory CCD Switch hoạt động cổng đóng mở Tại chế độ switch đóng, electron nằm memory CCD Kết thúc chế độ chụp, Switch kích hoạt bới mức điện áp cao mở cho electrons dịch chuyển từ memory CCD xuống VCCD Đây pha readout , hoạt động diễn đến memory CCD trở nên trống rỗng Tiếp đến electron chuyển xuống HCCD; theo Hình 3.5 electrons HCCD quy ước H1, H2, H3, H4 Chúng tạo thành phần tử HCCD (HCCD element) HCCD elements khuếch đại tín hiệu trước cảm biến Mô hình chuyển đổi CCD tiêu chuẩn giai đoạn (4-phase), yêu cầu dây metal song song để tăng tốc độ truyền [7] Kỹ thuật truyền áp dụng cho hầu hết giai đoạn chuyển dịch hay lưu trữ electrons bên ISIS Hình Hoạt động linear CCD kĩ thuật truyền four-phase Lược đồ yêu cầu thêm hai dây metal đường đọc theo chiều dọc VCCD chuyển đổi giai đoạn (4-phase transfer), giải thích Hình 3.5 Việc lưu trữ CCD tuyến tính hoạt động với thiết lập điện cực A1, A2, A3 A4; việc đọc theo chiều dọc VCCD với A1, B2, A3 55 B4 Hai bốn điện cực A1 A3 làm việc chung nhau, hai điện cực bổ sung B2 B4 đặt đường đọc theo chiều dọc VCCD thay A2 A4 Mô hình điện áp chuyển đổi cho A1 A3 tương tự việc chuyển giao bốn giai đoạn chuẩn Khi mẫu điện áp cho A2 A4 (hoặc B2 B4) giống tiêu chuẩn, chi phí gói đơn giản chuyển đổi (Hình 3.6a) Nếu điện áp A2 (hoặc B2) cố định mức cao A4 (hoặc B4) mức thấp, A4(B4) hoạt động cổng khóa A2(B2) cổng dự trữ chi phí gói liệu lưu giữ bên hoặc (hoặc ) luân phiên (Hình 3.6b) Do đó, B1 B3, lưu trữ CCD tuyến tính đường đọc dọc VCCD hoạt động độc lập chuyển đổi CCD lưu trữ CCD 3.2.5 Đánh giá ISIS so sánh với loại cảm biến CCD khác 3.2.5.1 Đánh giá camera điều kiện Hình Evaluation Camera Hình 3.7 cho thấy đánh giá camera Trong việc đánh giá sơ bộ, thay cảm biến phận hệ thống dây điện bổ sung yêu cầu thường xuyên Vì vậy, mạch điều khiển cảm biến bọc buồng chân không làm mát lớn Mặt khác, hệ thống nguyên mẫu, có cảm biến chứa buồng chân không nhỏ làm mát thiết bị làm lạnh nhiều giai đoạn Peltier 56 Các camera ISIS-V16 thiết kế cải tiến chủ yếu từ dây metal ISIS-V12 cho việc cung cấp điện áp điều khiển Do tỷ lệ khung hình khả xử lý ISIS-V16, tăng lên đáng kể nhờ cải thiện dây metal Chỉ số hiệu suất khác ISIS-V12, chẳng hạn mức nhiễu, hiệu suất làm việc chip CCM…cũng đề cập 3.2.5.2 Tỷ lệ khung hình Khả xử lý điện nạp Tỷ lệ khung hình đo cách quay chùm laser chopper với 200 cánh quạt 6000 vòng/phút (tức 100 vòng/giây ), hình 3.8 Ngay tốc độ cao này, góc quay cánh quạt nhỏ Ví dụ 16Mfps, khác biệt góc hình ảnh thứ 101 cánh quạt 0.225 độ Do đó, hình ảnh phóng đại chopper thể hình 3.9 phân tích kỹ thuật phân tích hình ảnh Kết hiển thị hình 3.10 Hình A 200-blade laser Hình A blade image beem chopper captured by the V16 camera Hình 10 Frame rate vs movement of blade 57 Tiếp theo, chopper thay đèn LED Thời gian xung đèn LED điều chỉnh để phù hợp khoảng thời gian khung hình Nếu hình ảnh LED xuất khung hình, không nhận hình ảnh khung trước khung sau, gói hình ảnh LED chuyển đổi hoàn toàn Phí xử lý công suất định nghĩa số lượng cao điện tử đáp ứng điều kiện Hình 3.11 cho thấy ví dụ ảnh Sự chiếu sáng xung LED áp dụng cho frame thứ 51 Hình 3.11a 3.11b tương ứng thể ảnh liên tiếp chuyển hoàn hảo chuyển không hiệu Trong ảnh dễ nhận Tín hiệu thu yếu để nhìn thấy in lên tờ giấy Điều chứng minh số tín hiệu electron không sót lại tới frame ( frame 52nd), tràn qua trước frame 50 Hình 11 Bốn ảnh liên tiếp xung ánh sáng LED (a) Truyền thành công (b) Truyền không hiệu 58 Hình 12 Qmax vs Frame rate Hình 3.12 thể phụ thuộc khả xử lý điện tích Qmax tốc độ khung hình Kết tóm tắt sau: (a) Q max giữ giá trị không đổi 22.000e- tốc độ khung hình lên đến Mfps (b) Qmax giảm tới 16.000e- 8.000e- tương ứng 8Mfps 16 Mfps Khả xử lý điện tích ISIS-V12 khoảng 10.000e- Biên độ điện áp lái theo đánh giá camera ISIS-V12 10V (-3V, 7V), tăng cho ISISV16 tới 16V (-2v, 14V) Sự tăng điện áp hoạt động mạch lái ISIS-V16 góp phần vào gia tăng Qmax 3.2.5.3 Đánh giá nhiễu ISIS Khi đánh giá nhiễu ISIS, nhiễu giảm hệ thống hình ảnh, đặc biệt độ nhạy cực cao điều kiện nhiễu thấp cần thời gian dài Mặt khác, cấu trúc cấu hình điểm ảnh ISIS-V16 xác giống ISISV12, trừ dây kim loại cho tốc độ khung hình cao khả xử lý điện nạp lớn Do Các số hiệu suất khác so với tốc độ khung hình khả xử lý điện nạp ISIS-V16 dự kiến tương ứng ISIS-V12, tóm tắt sau: 59 (a) Tổng mức nhiễu nhỏ 10 e- -50o C (b) Mức nhiễu không đổi cho tốc độ khung hình cao (c) Bằng cách kích hoạt chip CCM, tín hiệu khoảng 5e- phát hiện, tổng mức nhiễu 10e- 3.2.5.4 Cải thiện Ưu điểm nhược điểm BSI CCD ISIS sau: (a) Ưu điểm tốc độ khung hình cực cao, nhiễu thấp, độ nhạy cao (b) Nhược điểm bị giới hạn số điểm ảnh đếm, bị giới hạn số lượng khung hình, tốc độ đọc chậm Cảm biến cải tiến cách tăng cường ưu điểm giảm thiểu nhược điểm (a) Tốc độ khung hình số lượng khung hình: Xung clock camera 64MHz chuyển giao giai đoạn (fourphase transfer) áp dụng cho nhớ CCD Do đó, tốc độ khung hình tối đa đạt máy ảnh 16 Mfps Xung đồng hồ thấp sử dụng cho việc đánh giá sơ Việc làm hệ thống đánh giá với xung clock cao làm tăng tốc độ khung hình Nó dự kiến việc làm lược đồ truyền quasi-two-phase hệ thống đánh giá tăng gấp đôi tỷ lệ khung hình lên đến 32 Mfps Tuy nhiên trường hợp này, khả xử lý điện nạp nhiều Những hoạt động chụp ảnh xem kẽ áp dụng cho ISIS-V16, từ cột chẵn lẻ mảng pixel ISIS-V16 điều khiển độc lập Cả số lượng khung hình tốc độ khung hình có thẻ tăng lên gấp đôi, bỏ nửa số điểm ảnh (b) Giảm dòng tối rò rỉ (Reduction of dark and leak curents) Dòng rò rỉ từ tiếp giáp np cạnh giảm cách áp dụng stealth dicing Dòng tối áp lực học va đạp không sử dụng cho dlipchip liên kết tạo dòng tối, loại bỏ cách sử dụng dây liên kết từ phía sau để đệm liên kết mặc trước thông qua lỗ liên kết Những 60 cải tiến hữu ích hoạt động cảm biến mà không làm lạnh sâu Mặc khác, làm lạnh cảm biến xuống -50 độ C, nhiễu dòng tối dòng rỉ giảm xuống mức thấp (c) Số Pixel số lượng khung hình Tỷ lệ suất tăng lên đến 60% nỗ lực thời gian dài phát triển cải tiến quy trình bán dẫn cho ISIS Từ tỷ lệ thấp bắt đầu phát triển cảm biến, phát triển công nghệ tới hạn để tăng gấp đôi diện tích chip và, điểm ảnh tính Bây giờ, tỷ lệ suất cáo cho phép việc làm phương pháp switching để tăng gấp đôi diện tích chip bước tiếp xúc (d) Đọc linh động tốc độ đọc Các ISIS-V16 sử dụng công nghệ CCD Hiện nay, xử lý CCD với trình CMOS tiêu chuẩn, mà làm cho phát triển RAISIS truy cập ngẫu nhiên – bao gồm lưu trữ tín hiệu CCD nhiễu thấp mạch đọc CMOS nhanh chóng linh hoạt 3.2.5.5 So sánh CCD-ISIS với cảm biến CCD thông thường Trong cấu trúc pixel CCD điển hình thường có khuếch đại góc toàn mảng phí lưu trữ chuyển thông qua việc chuyển đổi song song với vùng lưu trữ nối tiếp tuyến tính, sau đến nút đầu tiếp giáp với khuếch đại đọc Hình 3.13a 61 Image Section Store Section On-Chip Charge To Voltage Conversion Readout Output Register Sensing a) Structure of normal CCD elements camera Memory elements Readout VCCD HCCD b) Structure of folder in-pixel CCD memory [8] Hình 13 Cấu trúc pixel CCD thông thường Cảm biến CCD phát triển vào cuối năm 60 công nghệ tương đối thành công lúc hiệu suất CCD đẩy ranh giới hiệu phát ánh sáng việc giảm nhiễu từ hai tín hiệu thiếu sang khuếch đại readout Một điểm yếu CCD thực tế CCD chất thiết bị đọc số liệu nối tiếp hiệu suất giảm nhiễu không cao đạt kênh có tốc độ đọc chậm Hình 3.2 Hình 3.14 cho thấy khác biệt liên quan đến cấu trúc CCD thông thường cấu trúc nhớ CCD Elloumi et al đề xuất vào năm 1994 [8] Khi đề cập đến cấu trúc phát triển Elloumi, tín hiệu hình ảnh khung hình lưu trữ đọc phương pháp đường thẳng song song Thiết kế cải thiện cách thêm mảng phần tử nhớ, readout VCCD 62 HCCD Tuy nhiên, với cấu trúc phức tạp khu vực lưu trữ Hình 3.14b tín hiệu hình ảnh chuyển nhiều hướng Điều khó đảm bảo trật tự điện cực dẫn đến lỗi sai trình thu nhận giải mã tín hiệu khối sau Để đối phó với vấn đề này, năm 2001, Etoh et al phát triển cảm biến hình ảnh CCD, đăng ký CCD tuyến nghiêng gắn liền với điểm ảnh trình bày Hình 3.2 [7] Nó trở thành cấu trúc truyền electron chiều tuyến tính đơn giản Hơn nữa, tín hiệu hình ảnh điểm ảnh lưu trữ nhiều lưu trữ tuyến tính VCCD readout khác lúc Điều dẫn đến tăng tốc độ hình ảnh tốc độ khung hình Các cảm biến ghi lại 103 hình ảnh liên tiếp, với 81.120 pixel tốc độ khung hình 1Mfs [9] Đối với phiên sau này, số lượng tỷ lệ khung hình tăng lên cải thiện liên quan đến phần cứng chương trình điều khiển chip 3.3 Kết luận chương Toàn chương III trình bày cấu trúc ISIS CD camera phát triển phòng thí nghiệm Hydraulic- Kinki University, Osaka-Japan Camera đạt tốc độ tối đa tới 16 triệu hình giây Tuy nhiên, số kết đánh số hạn chế loại nhiễu khác gây trình bày cụ thể chương III 63 KẾT LUẬN Camera smartphone, máy ảnh số hay camera quan sát dần trở thành chuẩn mực để người dùng giới công nghệ đem so sánh hãng mắt sản phẩm mới, cải tiến cảm biến ảnh (sensor) liên tục nâng cấp cấu trúc độ phân giải Vì tìm hiểu công nghệ cảm biến hình ảnh thiết kế camera cần thiết có ý nghĩa thực tế Trong luận văn trình bày cách tổng quan cảm biến hình ảnh với trọng tâm:  Nghiên cứu công nghệ cảm biến hình ảnh  Thiết kế camera CCD  Nghiên cứu cảm biến camera tốc độ cao ISIS dựa công nghệ cảm biến CCD Tuy nhiên thời gian có hạn khả người thực hạn chế nên luận văn bước đầu tìm hiểu nghiên cứu công nghệ cảm biến hình ảnh CCD Rất mong đóng góp quý báu thày cô Hy vọng thời gian tới công nghệ cảm biến hình ảnh đạt cải thiện đáng kể mặt tốc độ, diện tích hay độ nhiễu từ kế thừa kết đạt được, nghiên cứu trước đề tài liên quan Với nghiên cứu cảm biến CCD tốc độ cao ISIS hoàn toàn tin tưởng tương lai cảm biến CCD ngày phát triển 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T G Etoh et al., A CCD image sensor of Mframes/s for continuous image capturing of 103 frames, Digest of Technical Papers, ISSCC’02, pp.46-47, 2002 [2] T G Etoh, V T S Dao, H D Nguyen, K Fife, M Kureta, M Segawa, M Arai and T Shinohara, Progress of Ultra-high-speed Image Sensors with In-situ CCD Storage (2011), INTERNATIONAL IMAGE SENSOR WORKSHOP [3] Nick Waltham, CCD and CMOS sensors (2013), Volume of the series ISSI Scientific Report Series pp 423-442 [4] Lecture 11: CMOS Imaging Sensor, George Yuan, Hong Kong University of Science and Technology Fall 2010 [5] T Goji Etoh, et al, “Ultra-high-speed Bio-nano scope” for Cell and Microbe Imaging (Plenary paper), Proc of SPIE Vol 7126 712605-1 [6] Nguyen, H D., Etoh, T G., Dao, V T S., Vo, L C., Tanaka, M., 16-Mfps extremely high sensitivity video camera (2010), Proceedings of the 29th International Congress on High-Speed Imaging Photonics, pp A04-1-6 [7] T Goji Eto, D Poggemann et al, A CCD Image Sensor of 1Mframes/s for Continuous Image Capturing of 103 Frames (2002), IEEE International Solid-State Circuits Conference 2002/ Session 2/ Image sensor/2.7 [8] Elloumi, Fauvet et al, P The Study of a Photosite for Snapshot Video (1994), In Proceeding of SPIE: International Congress on High Speed Imaging and Photonics (ICHSIP) Taejon, Korea, Volume 2513, pp 259-267 [9] Tochigi, Y., et al, A Prototype high-speed CMOS image sensor with 10,000,000 fps burst-frame rate and 10,000 fps continuous-frame rate (2011), in Proceeding of SPIE-IS&T, Vol 7876, pp 78760-1-8 [10] CCD Imaging Systems, Stephan Baier 65 ... ảnh Chất lượng ảnh không phụ thuộc vào kích cỡ vật lý cảm biến, mà phụ thuộc vào số lượng pixel (các điểm nhạy sáng) có mặt cảm biến, kích cỡ pixel Để tìm hiểu cảm biến hình ảnh nghiên cứu thiết... điện lưu dạng thông tin tương tự số hóa thiết bị khác gọi biến đổi tương tự - số (Analog to Digital Converter – ADC ) Mỗi phần tử quang điện mảng hàng ngàn phần tử tạo pixel pixel chứa vài thông. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN DUY LỢI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN HÌNH ẢNH VÀ THIẾT KẾ CAMERA CCD Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN